Diody
advertisement
Diody 1 Diody prostownicze Ogólna charakterystyka Diodami prostowniczymi nazywa się diody przeznaczone do prostowania prądu przemiennego. W domyśle rozumie się prostowanie prądu o małej częstotliwości (z reguły chodzi o sieć przemysłową 50 Hz) przy znacznych lub zgoła duŜych mocach wydzielanych w obciąŜeniu. Są to zatem diody pracujące przewaŜnie w układach prostowniczych bloków zasilania róŜnych urządzeń elektronicznych i elektrycznych. Jak juŜ wspomniano, diody te pracują najczęściej przy częstotliwości 50 Hz, niekiedy przy częstotliwości 400 Hz (systemy pokładowe) lub nawet kilka kiloherców (prostowanie prądu z przetwornicy tranzystorowej podwyŜszającej napięcie). Jest to jednak zakres tak małych częstotliwości, Ŝe zjawiska dynamiczne nie mają istotnego wpływu na pracę diody w układzie. Diody prostownicze są to diody warstwowe (dyfuzyjne lub stopowe) krzemowe i germanowe, przy czym te ostatnie stosuje się coraz rzadziej. Parametry techniczne wszystkich diod moŜna podzielić na dwie grupy: parametry charakterystyczne, dopuszczalne parametry graniczne. 2 Diody prostownicze 3 Diody prostownicze WyróŜnia się następujące dwa parametry charakterystyczne diod prostowniczych: napięcie przewodzenia UF przy określonym prądzie przewodzenia IF - najczęściej przy maksymalnym prądzie IO (inaczej przy maksymalnej wartości średniej prądu przewodzenia, nazywanej niekiedy prądem znamionowym IFN); prąd wsteczny IR przy szczytowym napięciu wstecznym pracy URWM. WyróŜnia się następujące dopuszczalne parametry graniczne: maksymalny średni prąd przewodzenia IO lub inaczej prąd znamionowy w kierunku przewodzenia IFN; powtarzalny szczytowy prąd przewodzenia IFRM (np. dla impulsów o czasie trwania < 3.5 ms i częstotliwości 50 Hz); niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia IFSM (np. dla jednokrotnego impulsu o czasie trwania < 10 ms); szczytowe napięcie wsteczne pracy URWM (lub średnie napięcie wsteczne przy pracy diody w prostowniku jednopołówkowym z obciąŜeniem rezystancyjnym); powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne URRM; niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne URSM. Na świecie produkuje się diody o mocy kilku kilowatów (prąd przewodzenia ok. 2 kA) i napięciu wstecznym do kilku kV. Są to oczywiście diody krzemowe. Diody germanowe mają znacznie mniejsze dopuszczalne napięcie wsteczne i mniejszą temperaturę dopuszczalną ( Tj = 75° C dla diod germanowych oraz 150° C dla diod krzemowych ). Jedyną zaletą diod germanowych jest mniejsza wartość napięcia na diodzie przy pracy w kierunku przewodzenia (UF(IO)=0.3...0.5V dla diod germanowych oraz 0.8...1.4 V dla diod krzemowych). Ostatnio zaczęto równieŜ wytwarzać diody mocy z barierą Schottky’ego jako diody prostownicze. Ich zalety to mały spadek napięcia w kierunku przewodzenia ( UF » 0.5...0.6 V) i duŜa szybkość 4 działania, wadą natomiast jest małe napięcie dopuszczalne w kierunku zaporowym. Diody prostownicze Przykłady zastosowań: Diody mają zastosowanie w trzech podstawowych układach prostowniczych: 5 DIODY UNIWERSALNE Ogólna charakterystyka Diody uniwersalne są to diody przeznaczone głównie do zastosowań w układach detekcyjnych, prostowniczych małej mocy, ogranicznikach i innych układach urządzeń pomiarowo kontrolnych. Są to na ogół diody ostrzowe germanowe, charakteryzujące się niewielkim zakresem napięć (do 100 V) i prądów (do 100 mA) o ograniczonej częstotliwości pracy do kilkudziesięciu megaherców. Jako diody uniwersalne stosuje się równieŜ planarne diody krzemowe małej mocy. W grupie parametrów charakterystycznych diod uniwersalnych wyróŜnia się parametry statyczne i dynamiczne. Parametry statyczne: napięcie przewodzenia UF przy określonym prądzie przewodzenia IF; prąd wsteczny IR przy określonym napięciu wstecznym UR. Parametry dynamiczne: pojemność diody przy określonej częstotliwości i określonym napięciu wstecznym (najczęściej C < 1 pF dla f = 10,7 MHz, UR = 1V); sprawność detekcji h , tj. stosunek mocy sygnału zdemodulowanego do mocy sygnału wejściowego w.cz. (parametr podawany dla diod przeznaczonych do zastosowania w układach detekcyjnych). WyróŜnia się następujące dopuszczalne parametry graniczne: maksymalny stały prąd przewodzenia LFmax, maksymalny szczytowy prąd przewodzenia IFMmax, maksymalne stałe napięcie wsteczne URmax, maksymalne szczytowe napięcie wsteczne URMmax. Ponadto podaje się dopuszczalną temperaturę złącza Tj (zwykle 75...90° C dla diod germanowych oraz ok. 150°C dla diod krzemowych). Przykłady zastosowań Diody uniwersalne są stosowane głównie w układach detekcji amplitudowej, w układach ograniczników, w detektorach stosunkowych odbiorników FM (dobierane pary diod), w demodulatorach pierścieniowych 6 (cztery połączone diody mogą być wykonane we wspólnej obudowie). Diody Zenera Ogólna charakterystyka Diody Zenera są to diody warstwowe p-n, przeznaczone do zastosowań w układach stabilizacji napięć, w układach ograniczników, jako źródła napięć odniesienia itp. Typowy obszar pracy tych diod znajduje się na odcinku charakterystyki prądowo - napięciowej, odpowiadającym gwałtownemu wzrostowi prądu wstecznego wskutek zjawiska przebicia Zenera lub (i) przebicia lawinowego. Oba wymienione zjawiska mają następujące właściwości: przebicie Zenera występuje w złączach silnie domieszkowanych przy napięciach do 5 V, przebicie lawinowe występuje w złączach słabo domieszkowanych przy napięciach powyŜej 7 V, przebicia Zenera i lawinowe występują w złączach o średniej koncentracji domieszek przy napięciach 5...7 V, temperaturowy współczynnik napięcia przy przebiciu Zenera ma znak ujemny, temperaturowy współczynnik napięcia przy przebiciu lawinowym ma znak dodatni. Obecnie na świecie są produkowane stabilitrony na napięcia od 2V do kilkuset V, przy czym nazwa dioda Zenera tradycyjnie obejmuje swym znaczeniem zarówno diody o przebiciu Zenera jak i diody o przebiciu lawinowym. W grupie parametrów charakterystycznych następujące parametry statyczne i dynamiczne. diod Zenera wyróŜnia się 7 Diody Zenera Parametry statyczne: napięcie przewodzenia UF przy określonym prądzie przewodzenia IF; prąd wsteczny IR przy określonym napięciu wstecznym UR -zwykle przy UR= 1 V; te dwa parametry mogą być mało istotne, gdy dioda pracuje wyłącznie w zakresie przebicia; napięcie stabilizacji UZ (nazywane równieŜ napięciem Zenera), zwykle definiowane jako napięcie odpowiadające dziesiątej części maksymalnego prądu stabilizacji, moŜe być równieŜ definiowane jako napięcie odpowiadające umownej wartości prądu stabilizacji; w katalogach podaje się napięcie stabilizacji i rozrzut jego wartości dla określonego typu diod; temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji TKUZ (jest to stosunek względnej zmiany napięcia stabilizacji do bezwzględnej zmiany temperatury otoczenia przy określonym prądzie stabilizacji), wyraŜony w 1/°C lub %/°C dU TKUz = 1 ⋅ z U z dT 8 Diody Zenera Parametr dynamiczny: rezystancja dynamiczna, definiowana jako rz = ∆U z ∆I z Przy określonym prądzie stabilizacji ( rezystancję rZ moŜna wyznaczyć z nachylenia charakterystyki statycznej I(U), zatem -ściśle biorąc- jest to rezystancja przyrostowaróŜniczkowa). WyróŜnia się następujące dopuszczalne parametry graniczne: maksymalny stały prąd przewodzenia IFmax (w diodach Zenera średniej i duŜej mocy często podaje się dopuszczalny szczytowy prąd przewodzenia IFMmax); maksymalny dopuszczalny prąd stabilizacji IZmax, najczęściej wyznaczany z ilorazu maksymalnej mocy strat i napięcia stabilizacji , maksymalna moc strat Pmax -w katalogach podawana dla temp. otoczenia 25°C. 9 Modele diod Zenera 10 Diody impulsowe Diodami impulsowymi lub przełącznikowymi nazywa się diody przeznaczone do zastosowań w układach impulsowych, w których najczęściej spełniają one funkcję kluczy przepuszczających impulsy tylko w jednym kierunku. Z uwagi na takie zastosowania dioda impulsowa powinna spełniać przede wszystkim następujące wymagania: bardzo mała rezystancja w jednym kierunku oraz bardzo duŜa rezystancja w kierunku przeciwnym; bezzwłoczna reakcja na impulsy, czyli brak opóźnień i zniekształceń impulsów. Dlatego w grupie parametrów charakterystycznych standardowych parametrów statycznych: diod impulsowych obok napięcie przewodzenia UF przy określonym prądzie przewodzenia IF; prąd wsteczny IR przy określonym napięciu wstecznym UR, zawsze podaje się parametry dynamiczne: czas przełączenia trr (niekiedy zamiast czasu trr podaje się ładunek przełączania Qrr) przy określonych warunkach wysterowania i obciąŜenia diody, pojemność diody przy określonej częstotliwości i napięciu polaryzacji wstecznej diody. Ponadto wyróŜnia się następujące dopuszczalne parametry graniczne: dwu maksymalny prąd stały (lub prąd średni) IFmax w kierunku przewodzenia; maksymalny szczytowy prąd przewodzenia IFMmax; maksymalne stałe napięcie wsteczne URmax; dopuszczalne szczytowe napięcie wsteczne URMmax; dopuszczalna temperatura złącza Tj. 11 Diody impulsowe Podstawowym warunkiem, jaki powinna spełniać dioda impulsowa, jest bezzwłoczność jej działania, czyli jak najmniejszy czas przełączania trr. Niekiedy czas trr jest mało istotny, poŜądana jest natomiast jak największa stromość impulsu prądu otrzymywanego podczas przełączania - zatem istotne jest zmniejszenie czasu opadania tf. Biorąc pod uwagę te dwie tendencje, diody impulsowe podzielimy na: diody o małym czasie przełączania trr; diody o małym czasie opadania tf. Diody o małym czasie przełączania Jako diody impulsowe o małym czasie przełączania najwcześniej zaczęto stosować diody ostrzowe germanowe o złączu p-n formowanym elektrycznie, przy czym szczególnie duŜe szybkości przełączania uzyskano w diodach o styku złoto-german. Diody ostrzowe mają duŜą szybkość przełączania dzięki małym powierzchniom, a więc i małym pojemnościom złączy. W nowoczesnych diodach impulsowych wykorzystuje się epiplanarne złącza p-n domieszkowane złotem. Technologia epiplanarna umoŜliwia wytwarzanie złączy o małych powierzchniach, a domieszkowanie złotem ma na celu zmniejszenie czasu Ŝycia nośników mniejszościowych (atomy złota spełniają funkcję centrów generacyjno-rekombinacyjnych). JednakŜe nie moŜna stosować zbyt duŜych koncentracji atomów złota, gdyŜ następuje pogorszenie charakterystyki statycznej w kierunku zaporowym, tj. wzrasta prąd generacji. Dlatego domieszkowanie złotem, praktycznie biorąc, umoŜliwia zmniejszenie czasu przełączania do ok.1ns. Krótsze czasy przełączania diod p-n moŜna uzyskać w przypadku zastosowania materiału półprzewodnikowego o szerszym paśmie zabronionym. Na przykład diody z GaAs mają czasy przełączania mniejsze niŜ 0,1 ns. Jeszcze krótsze czasy przełączania uzyskuje się w diodach Schottky’ego. DuŜa szybkość działania diod Schottky’ego wynika stąd, Ŝe są to diody działające na nośnikach większościowych, a więc wolne od inercji spowodowanej magazynowaniem ładunku w bazie. 12 Diody impulsowe Diody o małym czasie opadania (diody ładunkowe) Do celów formowania bardzo stromych impulsów prostokątnych byłaby przydatna dioda o bardzo małym czasie tf, dla której tf /tr <<1. Takie właściwości ma dioda ładunkowa. Bezpośrednią przyczyną skrócenia fazy opadania prądu w diodzie ładunkowej, gdyŜ w czasie tr nośniki nadmiarowe są usuwane z bazy nie tylko wskutek dyfuzji, lecz równieŜ wskutek unoszenia w polu elektrycznym E. Zastosowanie diod impulsowych Z wielu róŜnych układów z diodami impulsowymi omówiony zostanie przykład zastosowania diody ładunkowej w układzie formującym zbocze impulsu prostokątnego. W pierwszym układzie dioda ładunkowa D1 jest polaryzowana stałym prądem w kierunku przewodzenia ze źródła U przez rezystor R1. Impuls formowany u1 przez rezystor R2 i kondensator C polaryzuje diodę D1 w kierunku zaporowym. W czasie tr dioda przewodzi w kierunku zaporowym, czyli stanowi małą rezystancję, na której nie odkłada się napięcie. Po czasie tr dioda raptownie odzyskuje właściwości zaporowe, czyli jej rezystancja zwiększa się wielokrotnie. Napięcie, jakie wówczas pojawi się na diodzie D1, jest podawane przez diodę D3 na rezystancję obciąŜenia RL. Dioda D3, spełniająca funkcję klucza blokującego napięcie stałe -U od obciąŜenia, musi mieć bardzo mały czas przełączania. Dioda ładunkowa jest włączona szeregowo z obciąŜeniem, dla tego jest formowane zbocze opadające. W obu układach moŜna regulować w pewnym 13 zakresie czas tr, zmieniając prąd polaryzacji diody ładunkowej w kierunku przewodzenia.
